Dwiczenie laboratoryjne nr 12: EEG-BIOFEEDBACK

Dwiczenie laboratoryjne nr 12: EEG-BIOFEEDBACK Cel dwiczenia: Zapoznanie się z elektroencefalografią oraz neurofeedbackiem. A. ZAGADNIENIA DO PRZYGOTOWANIA 1. EEG (pojęcie, zastosowania). 2. Układ 10-20, fale mózgowe. 3. Neurofeedback. B. LITERATURA 1. Augustyniak P (2001) Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2. http://brain.fuw.edu.pl/edu/eeg C. WPROWADZENIE TEORETYCZNE 1. Elektroencefalografia Elektroencefalografia (EEG) jest metodą służącą do badania elektrycznej aktywności synchronicznie pracujących neuronów kory mózgowej. Historia badao nad aktywnością elektryczną mózgu rozpoczęła się pod koniec XIX wieku, kiedy to w roku 1875, angielski fizjolog Richard Caton (1842-1926) wykazał korelację pomiędzy prostymi czynnościami a zmianą potencjału w odpowiednich obszarach kory mózgowej kotów i królików. Należy wspomnied, że podobne prace, niemal w tym samym czasie w Krakowie prowadzili polscy uczeni, profesorowie Napoleon Nikodem Cybulski (1854 1919) i Adolf Beck (1863 1939), którzy pracowali nad wykorzystaniem ówczesnych metod elektrofizjologii do lokalizacji obszarów funkcyjnych w mózgu. Pobocznym efektem ich pracy było odkrycie elektroencefalogramu, nazwanego przez Becka aktywnym prądem niezależnym. Za twórcę elektroencefalografii uważa się jednak niemieckiego psychiatrę Hansa Bergera (1873 1941), który po raz pierwszy zarejestrował potencjały elektryczne mózgu u człowieka i w roku 1929 opublikował pierwsze zapisy elektroencefalograficzne rejestrowane nad ubytkami czaszkowymi. W roku 1934 angielski neurofizjolog Edgar Douglas Adrian dokonał przełomowego odkrycia wykazując, że sygnał elektryczny mózgu, do tej pory rejestrowany bezpośrednio z powierzchni kory mózgowej, może byd również rejestrowany nieinwazyjnie z powierzchni głowy. Pozwoliło to wejśd elektroencefalografii na stałe do

praktyki klinicznej. Pomimo rozwoju alternatywnych metod badania i obrazowania mózgu, elektroencefalografia nadal pozostaje jedną z wiodących metod diagnostycznych w zakresie oceny aktywności sieci neuronalnej. Główne zastosowania medyczne EEG to diagnozowanie epilepsji, badanie zaburzeo snu, bólów głowy, ocena wpływu leków na mózg pacjenta, a także badania w przypadku zatrud, anoksji, infekcji oraz urazów mózgu, stwierdzania śpiączki lub śmierci klinicznej. Złożona analiza sygnału EEG znajduje również zastosowanie w badaniu schizofrenii oraz badaniach osobowości. Rys. 1 Lokalizacja elektrod w przypadku różnych metod rejestracji sygnału elektrofizjologicznego mózgu. Sygnał elektroencefalograficzny (EEG) mierzony jest na powierzchni głowy, sygnał elektrokortykograficzny (ECoG) za pomocą matryc elektrodowych umieszczonych na powierzchni kory, natomiast lokalne potencjały polowe (LFPs) rejestruje się przy użyciu matryc mikroelektrod umieszczonych wewnątrzkorowo; zmodyfikowane z *Wolpaw J.i Birbaumer N., 2006+. 1.1 Widmo EEG Zapis EEG (elektroencefalogram) odzwierciedla zmiany napięcia będące sumą ciągłej, elektrycznej działalności dużych populacji komórek nerwowych kory mózgowej. W jednym milimetrze kwadratowym kory znajduje się około 10 5 neuronów, a sygnał rejestrowany na pojedynczej elektrodzie pochodzi od około 10 6 10 8 neuronów piramidowych. Sygnał EEG charakteryzuje się niską amplitudą, w przybliżeniu aż 100-krotnie mniejszą od sygnał elektrokardiograficznego. Typowe wartości amplitudy nie przekraczają ok. 100 µv, zaś najwyższe wartości napięcia mają zwykle kilkaset mikrowoltów i rejestruje się je w czasie napadów padaczkowych. Najbardziej charakterystyczną cechą sygnału elektroencefalograficznego jest występowanie w nim rytmów (fal), czyli możliwych do zaobserwowania struktur o charakterystycznym zakresie częstotliwości i powtarzalnym kształcie. Rytmy EEG związane są ze stanem aktywności pacjenta. Możemy wyszczególnid następujące rytmy sygnału EEG: a) Rytm alfa (α) występujący w zakresie częstotliwości 8 13 Hz, o amplitudzie 20 100 µv. Występuje u dorosłego człowieka przy całkowitym odprężeniu, przy zamkniętych oczach. Jego przebieg jest sinusoidalny, a największe amplitudy są odbierane znad kory wzrokowej. Rytm alfa zanika w trakcie skupienia uwagi (szczególnie wzrokowej) i wysiłku umysłowego. Rytm o częstościach z zakresu fali alfa, ale rejestrowany w okolicach kory ruchowej nazywany jest rytmem mu (µ), a jego zanik obserwuje się w trakcie wykonywania ruchu lub zamiaru wykonania ruchu.

b) Rytm beta ( ) występujący w zakresie częstotliwości powyżej 13 Hz, zwykle 13 35 Hz, o amplitudzie do 20 µv. Fale beta występują w stanie naturalnej aktywności mózgu, przetwarzania informacji, percepcji bodźców, skupienia uwagi lub pobudzenia. W paśmie wyróżnia się trzy pasma: pasmo wolnych fal beta (12 15 Hz), średnie (właściwe) pasmo beta (15 18 Hz) oraz pasmo szybkich fal beta (powyżej 19 Hz). W trakcie wykonywania ruchu aktywnośd z zakresu fali beta pojawia się w korze motorycznej głównie w półkuli dominującej. Przypuszcza się, że fale te uczestniczą w przepływie informacji pomiędzy strukturami korowymi. c) Rytm theta ( ) występujący w zakresie częstotliwości 4 7 Hz, o amplitudzie do kilkudziesięciu µv. Pojawia się u dorosłych podczas płytkiego snu oraz w czasie medytacji, transu, hipnozy, marzenia, czy intensywnych emocji. d) Rytm delta (δ) występujący w zakresie częstotliwości 0.5 4 Hz, o amplitudzie 75 200 µv. Jest charakterystyczny dla głębokiego snu. Wysoka synchronizacja neuronów kory powoduje, że rytm delta może byd wówczas zbierany z całej powierzchni czaszki. e) Rytm gamma (γ) występuje w okolicach częstotliwości 40 Hz (35 100 Hz). Podejrzewa się, że rytm gamma związany jest z aktywnością umysłową, percepcją bodźców, świadomością oraz pamięcią. Fala gamma pojawia się na przykład w sytuacji stresowej, podczas tremy, lęku, towarzyszy aktywności ruchowej i funkcjom motorycznym. Wysokoczęstotliwościowa (80 200 Hz) aktywnośd gamma pojawia się podczas aktywacji kory poprzez zewnętrzne, jak i wewnętrzne bodźce, takie jak przygotowanie ruchu lub mowa. Należy podkreślid, że widmo sygnału EEG jest funkcją malejącą w sposób odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości, co tłumaczy się działaniem czaszki jako filtru dolnoprzepustowego oraz faktem, że częstotliwośd generowanych rytmów jest odwrotnie proporcjonalna do ilości neuronów, która jest odpowiedzialna za powstanie danego rytmu. Mimo powtarzalnych cech sygnału EEG, każdy człowiek ma nieco inny, indywidualny elektroencefalogram. Ponadto zapis ten zmienia się z wiekiem - jego charakter stabilizuje się około 30 roku życia i zmienia się ponownie w wieku starczym. Zapis EEG zmienia się także w zależności od warunków fizjologicznych np.: stężenia glukozy we krwi czy obniżenia prężności tlenu oraz zdrowia psychicznego. 1.2 Pomiar sygnału elektroencefalograficznego Potencjał rejestrowany przez elektroencefalograf może byd przybliżony potencjałem generowanym przez źródło o dipolowym rozkładzie ładunków (kwadrupole i wyższe składowe multipolowe nie są potrzebne do opisu sygnału EEG). W zależności od orientacji oddziałujących łącznie dipoli, potencjał rejestrowany na skórze głowy jest dodatni albo ujemny. Potencjał elektryczny mierzy się jako różnicę pomiędzy dwoma punktami, z których jeden umieszczony jest na skórze głowy, a drugi (elektroda referencyjna) w miejscu, które nie rejestruje (w wyidealizowanym przypadku) sygnału elektrycznego mózgu. Powszechnie używane miejsca referencyjne to położenie elektrody Cz, płatki uszu lub wyrostek sutkowy (kośd za uchem). W standardowym badaniu neurologicznym do pomiaru sygnału EEG używa się 21 elektrod rozmieszczonych na powierzchni czaszki zgodnie z tzw. systemem 10 20 (rys. 2).

Rys. 2 Położenie elektrod w układzie 10 20 stosowanym w elektroencefalografii. Odległości pomiędzy sąsiadującymi elektrodami wynoszą 20% odległości między skrajnymi punktami czaszki (odległośd pomiędzy poszczególnymi elektrodami wynosi około 6 7 cm). W badaniach naukowych używa się rozszerzonego układu z większą liczbą elektrod i ich rozmieszczeniem dostosowanym do potrzeb eksperymentu. Nazwy poszczególnych elektrod pochodzą od łacioskich nazw płatów korowych nad którymi leżą. Elektrody umieszczone nad prawą półkulą oznaczane są numerami parzystymi, nad lewą półkulą nieparzystymi, natomiast pośrodku literą z. 2. Neurofeedback Neurofeedback to metoda oparta na badaniu elektroencefalograficznym (EEG) aktywności bioelektrycznej kory mózgowej. Sygnał elektryczny generowany w korze mózgowej odbierany jest za pomocą elektrod z powierzchni głowy badanego, a następnie zostaje odpowiednio wzmocniony i zarejestrowany przez komputer. Metoda neurofeedbacku opiera się na sprzężeniu zwrotnym pomiędzy pacjentem, a odbieraną przez niego reprezentacją sygnału EEG generowaną przez komputer w postaci np. wizualizacji lub gry komputerowej. Sprzężenie zwrotne zawiera informację o tym, jakie fale mózgowe przeważają w danej chwili. Grą kieruje się wyłącznie za pomocą pracy własnego mózgu bez klawiatury lub joysticka. Kiedy wzrasta aktywnośd mózgu w pożądanym paśmie częstości fal mózgowych, trenujący osiąga sukces. Mózg stopniowo uczy się generowania zadanych częstości fal, a co za tym idzie badany uczy się świadomie wpływad na pracę swojego mózgu. Neurofeedback jest zatem techniką informującą pacjenta o zmianach stanu fizjologicznego jego mózgu, a co za tym idzie pozwala wpływad na funkcje organizmu, który normalnie nie podlega świadomej kontroli. Stosowany jest w terapii dzieci z ADHD (zespół nadpobudliwości psychoruchowej), u ludzi z zaburzeniami procesu uczenia się, po urazach czaszki, wspomaga leczenie padaczki. Jest również polecany osobom zdrowym dla poprawy koncentracji, pamięci, redukcji stresu i poprawy kreatywności.

D. INSTRUKCJA DO DWICZENIA LABORATORYJNEGO 1. Elementy stanowiska pomiarowego wzmacniacza sygnałów elektroencefalograficznych BRAINTRONICS ISO-1032CE z adapterem AsTEK 200 elektrody miseczkowe Au spirytus, żel abrazyjny, gaziki komputer stacjonarny program LabVIEW 2. Przebieg eksperymentu pomiarowego Zadanie 1 Częśd programistyczna w LabVIEW: uzupełnij tor przetwarzania sygnału w programie sterującym kolejką elektryczną, tak aby kolejka uruchamiała się w przypadku, gdy u osoby badanej zostanie wykryta fala alfa, czyli gdy badany zrelaksuje się: Włącz komputer, Włącz program LabVIEW i zrób kopię program wyjściowego Kolejka.vi -nazwij go własną nazwą (np. Kolejka_nazwisko.vi), przeanalizuj go dokładnie. W programie należy uzupełnid tor przetwarzania sygnału. W tym celu należy wykonad następujące czynności: Przefiltrowad sygnał EEG (rejestrowany jako różnica sygnałów z elektrod Fp2-A1) filtrem pasmowo przepustowym: od około 5-8 Hz do około 30-40 Hz, Przefiltrowad sygnał filtrem zaporowym dla częstotliwości sieci elektrycznej, tzn. 50Hz, Obliczyd dla sygnału widmową gęstośd mocy (PSD), Obliczyd moc w obrębie fali alfa (8-13Hz) oraz w obrębie fali beta (15-35Hz), Obliczyd moc w obrębie całego widma, Przykładowe rozwiązanie problemu pokazane jest na Rys. 3.

Rys.3 Przetwarzanie sygnału w LabVIEW.

Rys.4 Interfejs dla programu Kolejka.vi Zadanie 2 Obserwacja sygnału EEG: Poproś prowadzącego o sprawdzenie podpięcia urządzenia do komputera. Podepnij 3 elektrody do głowy ochotnika (może byd więcej niż jeden ochotnik) zgodnie z Rys.5. W tym celu należy: Wyczyścid miejsca przypięcia elektrod kolejno: spirytusem, następnie żelem do czyszczenia Nuprep, Przykleid elektrody miseczkowe do wyczyszczonych miejsc za pomocą pasty klejącej do elektrod EC2, przytrzymując je wacikiem lub kawałkiem chusteczki, Elektrody powinny się znajdowad na skrajnych punktach czoła (Fp2 i GND) oraz na płatku usznym (A1). wepnij elektrody do wzmacniacza i włącz program z Pulpitu EEG AsTEK, Z programu wybierz zakładkę Impedancje i sprawdź ich wartośd w podpiętych elektrodach tzn. Fp2 oraz A1. Impedancja powinna wynosid < 5kΩ. Jeśli impedancja ma wartośd większą popraw czyszczenie głowy. Jeśli impedancje wynoszą < 5kΩ, wybierz w programie zakładkę Nowe badanie oraz montaż o nazwie Kolejka, na ekranie pojawi się sygnał różnicowy z podpiętych elektrod tzn. Fp2-A1.

Zaobserwuj jak wygląda elektryczna aktywnośd mózgu - osoba badana ma za zadanie: Pomrugad oczami, Zacisnąd szczękę, Zamknąd oczy i zrelaksowad się: Czy jesteś w stanie zaobserwowad fale alfa? Powinny mied regularny kształt, częstotliwośd około 10 Hz, czyli powinno występowad około 10 pików na jedną kratkę wykresu. Zaobserwuj jak wpływa na jakośd sygnału wyłączenie filtrów: <0.5 Hz to filtr odcinający niską częstotliwośd wynikającą z kontaktu elektrod ze skórą, >30 Hz to filtr wycinający artefakty mięśniowe, 50 Hz to filtr eliminujący zakłócenie sieciowe. Rys. 5 Rozmieszczenie elektrod na głowie pacjenta w trakcie doświadczenia: elektroda Fp2 zbierająca sygnał, A1 elektroda odniesienia, GND elektroda uziemiająca Zadanie 3 Neurofeedback: Podłącz przekaźnik kolejki do wejścia USB, włącz zasilacz kolejki (ustaw niską wartośd), sprawdź czy nic nie leży na torach, w programie Kolejka_nazwisko.vi wybierz odpowiednie wejście COM, ustal początkowy PRÓG DLA FALI ALFA: na 15 oraz PRÓG ODCINAJĄCY ARTEFAKTY: na 100000, naciśnij RUN.

Jeśli obie elektrody świecą się na zielono (tzn. opornośd < 5kΩ) zakoocz pomiar impedancji, Rozpocznie się przetwarzanie sygnału i detekcja fali alfa. Ustal eksperymentalnie jaka jest wartośd mocy sygnału ( mean ) gdy rejestrowany jest niezakłócony sygnał EEG (tzn. osoba badana nie wykonuje żadnych ruchów), a jaka jest wartośd mocy gdy osoba badana porusza się lub mruga oczami. Na podstawie eksperymentu należy ustalid wartośd mocy widma ( PRÓG ODCINAJĄCY ARTEFAKTY: ), poniżej której można uznad, że rejestrowany sygnał jest niezakłóconym sygnałem elektroencefalograficznym, Ustal eksperymentalnie najwyższą wartośd progu dla danej osoby ( PRÓG DLA FALI ALFA: ), po przekroczeniu której program będzie uruchamiał kolejkę ( tzn. przekaźnik sterujący kolejką). Ważne jest aby osoba badana relaksowała się tak by generowad falę alfa i nie wykonywała żadnych ruchów mięśniowych, Przetestuj program, zmieniając wartości progów, filtry, itp.

E. WZORZEC SPRAWOZDANIA Dwiczenie laboratoryjne nr 12: EEG-BIOFEEDBACK Grupa (1-7): Grupa (A-D): Skład osobowy grupy (Imię i Nazwisko): Data wykonania ćwiczenia: Data oddania sprawozdania: Zanotuj swoje spostrzeżenia/uwagi/odczucia dotyczące łatwości generowania fali alfa: Zanotuj swoje uwagi na temat tego jak można poprawid tor przetwarzania sygnału w programie Kolejka.vi aby jego działanie było sprawniejsze: Do tabeli wpisz jakie wartości dla odpowiednich progów okazały się najwłaściwsze: PRÓG DLA FALI ALFA PRÓG ODCINAJĄCY ARTEFAKTY Optymalne wartości